機載PCM數據流檢查裝置設計開發

李國星 黃如昌 高志遠

機載PCM數據流檢查裝置設計開發

李國星 黃如昌 高志遠

在飛行試驗中，機載PCM數據流的數據檢查對飛行試驗的成敗至關重要。針對機載PCM數據流的檢查，提出了一種基于USB2.0通信接口的PCM數據流解調方案，論述了PCM解調的程序、原理和方法，設計了USB2.0通信接口。最后，通過計算機軟件實現PCM數據流的檢查功能。該方案已成功應用于飛行試驗中，系統工作穩定、可靠，PCM數據流的解析正確。

在飛行試驗中，為了考核飛行器的性能與指標，均需在飛行器上構建龐大的機載測試系統，去采集、記錄飛行試驗數據。這些試驗數據一般通過PCM（Pulse Code Modulation）數據流方式進行記錄或輸出。PCM數據流涵蓋了飛行試驗的絕大部分測試參數，對飛行試驗的成敗具有至關重要的影響。因此，如何對PCM數據流進行檢查，對于保證飛行試驗數據的準確性具有重要的影響。某前，PCM數據流的檢查普遍采用基于PCMCIA接口的硬件同步解調方案，解調后的數據通過PCMCIA接口輸入到計算機軟件實現數據質量的判讀。但隨著計算機技術的發展，PCMCIA接口已經逐漸被USB2.0接口取代，已經無法繼續使用PCMCIA接口進行PCM數據流的數據檢查。基于這種工程背景，本文將提出一種基于USB2.0通信接口的PCM數據流同步解調方案，即采用FPGA技術實現PCM數據流的同步解調，通過USB2.0通信接口將PCM數據傳送至計算機軟件，由計算機軟件實現對PCM數據流的檢查功能。

系統設計

機載PCM數據流檢查裝置主要由PCM數據解調電路和計算機軟件構成，系統方案如圖1所示，以RS422電氣特性傳輸的PCM數據流信號經過電平匹配，轉化為LVTTL電平信號，以便被數字電路采集，進而通過串并轉換進入同步電路進行數據解調，解調后的數據存入緩存電路中，等待控制電路將PCM數據讀取、裝入USB2.0接口電路中。通過USB2.0接口，PCM數據采集至計算機，由計算機軟件實現對PCM數據流的檢查功能。

圖1 系統方案

PCM解調電路設計

PCM解調電路是本文實現的核心，主要由地址譯碼電路、控制電路、同步電路和FIFO電路以及串并轉換電路構成，如圖2所示。地址譯碼電路實現將計算機命令轉換為相應的控制信號（例如：信號極性、碼型、同步字等），由控制電路負責對同步電路進行相應的寄存器設定，負責控制FIFO的讀寫操作，從而將串并轉換后的并行數據寫入FIFO電路，最后通過USB2.0電路送至計算機軟件。同步電路是實現PCM數據解調的關鍵，同步電路包括位同步、幀同步和字同步電路。實現過程如下。

圖2 PCM解調電路

（1）位同步實現

機載測試系統輸出的PCM信號包含位時鐘和數據信號，本文不再產生單獨的PCM位時鐘信號，僅對已有的位時鐘和系統時鐘進行同步處理。

（2）幀同步實現

PCM幀同步指同步電路在PCM數據流中尋找同步字的過程。本文采用逐位“搜捕/比較”方法實現字同步的檢測，檢測的原理如圖3所示。在位時鐘CLK的下降沿，PCM數據被采集，并逐位進行串并轉換保存至寄存器中，在位時鐘CLK下降沿的后一個時鐘進行寄存器數據與同步碼的比較，若兩者相同則輸出幀同步信號；若不同，則不輸出幀同步信號。

圖3 幀同步原理

（3）字同步和串并轉換

幀同步實現后，要產生字同步信號。在字同步信號的指引下，將串行數據轉換為PCM數據字存入緩存電路中。PCM字同步信號是PCM解碼的最終目的。該部分功能在FPGA內，采用Verilog HDL語言程序實現，實現的程序模型如圖4所示。

圖4 串并轉換

高速USB通信設計

USB2.0接口電路是計算機軟件和FPGA解碼電路的通信紐帶，不僅要實現PCM數據參數的傳輸，還是程序命令、配置信息的傳輸通道。本文采用USB2.0的專用接口芯片CY7C68013A，并采用高速批量傳輸模式，充分利用芯片內部提供的四重FIFO資源，將其中一個FIFO分配為傳輸PCM數據參數，另一FIFO傳輸配置信息。當FIFO內數據容量達到USB包512Byte，芯片將數據自動打包發送至計算機。FPGA邏輯電路負責對這兩個FIFO的讀寫操作，從而實現將PCM參數數據從PCM解調電路中傳送至計算機軟件，將PCM設置參數從計算機軟件傳入PCM解調電路中。

圖5 USB2.0雙向通信設計

計算機PCM檢查軟件

計算機PCM檢查軟件將實現機載PCM數據流的實時檢查功能，由配置文件解析模塊、數據實時檢查模塊、數據記錄與回放模塊和數據異常監測模塊以及系統狀態監控模塊等組成。配置文件解析模塊主要完成PCM結構信息 XML文件的導入與解析；數據實時檢查模塊將按照PCM結構將PCM數據實時還原顯示，以便參數判讀，如圖6所示；數據記錄與回放功能主要進行PCM數據記錄及后續回放檢查。此外，計算機軟件系統還完成了數據異常檢測和系統狀態監控，主要是將PCM數據流中的狀態參數提取出來加以分析，以便確定前端系統的運行狀態。

圖6 PCM實時檢查界面

結語

經過飛行驗證，機載PCM數據流檢查裝置能夠實現10Mbps以下的PCM數據流的數據解析功能，可以方便工程人員準確判讀PCM參數的數據質量，且系統工作穩定，抗干擾能力強。

李國星 黃如昌 高志遠

中國飛行試驗研究院

李國星（1981-）男，中國飛行試驗研究院，工程師，機載測試專業。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.012